2016年3月15日火曜日

手回し直流発電機と充電カー

直流モーターを発電機として使用し
発電した電気を電気二重層コンデンサに充電してから 車を走らせる実験です。
発電機は市販のギアボックスを使用し、
モーターシャフトを速く回転させることで出力電圧が高くなります。
充電用に使用した電気二重層コンデンサは
二次電池に比べ充放電を短時間で行えるので
35分間充電させると、約2分間車を走らせることが出来ます。



まず、手回し直流発電機を作ります。

エコモーターギアボックス(TAMIYA 楽しい工作シリーズ№203)
ギア比 38.2:1 で組み立てます。
直流モーターに電池を接続すると、モーター軸が回転しますが、
逆にモーター軸を回転させると、発電することを利用するものです。

このギアボックスにはソーラーモーターがついています。
普通の小型モーターがついたギアボックスをギア比38.21 程度で組むと
発生電圧が低く、充電できません。
ギア比を上げると、発生電圧は高くなりますが
ギアが壊れやすいので要注意です。

付属のクランクプレートを使って、手回しハンドルを作ります。
木製アイス棒を7~8cmに切断し
ドリル刃3mmを使って3ケ所に穴を開けます。

 ③
アイス棒をクランクプレートにネジで固定し、
ハンドルとしてM3×40~50mm程度のネジを取り付けます。
回しやすいように、ネジには4mmφのストローを通しておきます。
ネジの端の方をワッシャーとナットでアイス棒を挟むようにしっかり固定します。

これをギアボックスのシャフトに差し込みます。 
下の写真のように差し込んだ場合は、
手回しハンドルを時計回りに回転させると充電できます。
反対側のシャフトに差し込んだ場合は
反時計回りに回転させると充電できます。

このままでは回しにくいので、持ち手を取りつけます。
内径28mmの筒状のものならOKです。
下の写真のような、ものが使用できます。
(ロッテ BLACK BLACK タブレット、グリコ フレンドチョコ) 

筒状のお菓子ケースの底にハンダこてなどで穴を開け
ミノムシクリップ付きのリード線(30~50cm程度)を通します。

モーターから出ているリード線と⑥のリード線をハンダ付けして
ハンダ箇所はビニールテープで絶縁しておきます。

ギアボックスを筒状のお菓子ケースに差し込んで接着剤で固定します。


充電用の回路を組み立てます。

回路図は下の図の通りです。



幅47mmのユニバーサル基板を長さ30mm程度に切り
ドリル刃3mmを使って4隅に穴を開けます。

 上の回路図のように回路を組み立てます。


入力用の端子は、抵抗やダイオードなどの切断した足を使用し
+、- と書いておくと、充電するときにわかりやすいです。
自動車を作ります。


プーリーは直径3.8cmの厚紙2枚に、直径3.5cmのダンボールを挟んで作ります。
中心を竹串に刺して


木工用ボンドでしっかり固めます。
(隙間に輪ゴムが入らないように)


モーターはソーラーモーター 03(TAMIYA ソーラー工作シリーズ No.11)を使用します。
(0.5V程度の低い電圧でも作動するので、コンデンサ電圧が下がってもかなり回り続けます。)

ピニオンギアが付属されているので
輪ゴム外れ防止用に、モーター軸に取り付けておきます。
モーターを固定するために
3.5cm角のダンボールに直径2.5cmの穴を開けたもの3枚を貼り合わせます。


車体は厚紙を切って、穴を開けます。


⑩の基板の4隅の穴にM3×10mmのネジを入れて、ナットで固定します。
⑭のモーターをモーター用穴に入れて接着材で固定し
配線用の穴からリード線を出して、⑩の基板に接続します。
接続箇所は回路図を参照。


基板の4つのネジを基板用の穴に入れて、裏からナットで固定します。

 ⑱
車体ののりしろ部分を貼り付け、
車輪用の穴に4mmφのストローを通して、
1~2mm程度厚紙から出たところで切断します。


タイヤは多目的EVAクッション(直径4cm×厚さ1cm)の中心に
目打ちなどで穴を開けて使用します。


プーリーとタイヤをセットして、
プーリーとモーター軸に輪ゴムをかけます。
これで完成 !!


<やり方>

基板プラス側に手回し発電機の赤のリード線、
マイナス側に黒のリード線を接続します。



手回し発電機を回すと、赤のLEDが点灯するとともに充電し始めます。


電気二重層コンデンサの端子電圧が2.4~2.5Vを超えると青色LEDが点灯し始めます。
(素早く回した場合 約3分、通常 約5分程度 かかります。)


ミノムシクリップを取り外し、スイッチをオンにすると走り始めます。
(約2分程度 走行します。)

下のビデオは充電時のコンデンサの電圧を測定しています。
電圧が2.4~2.5Vで青色LEDが点灯し始めます。
video


単三乾電池3本を直列(4.5V)をつないでも充電できます。


<耐圧対策について自由研究>
今回作成した手回し発電機を回した場合、回す速度によって電圧は変化しますが、
普通程度の速度で回した場合、発生電圧の最大は約4.5Vです。
(速く回すほど電圧は上昇します。)
 

入力電圧4.5Vに対し、電気二重層コンデンサの耐圧は3Vなので対策が必要、
また赤色LEDに対しても耐圧対策が必要となります。

計算方法の詳細はこちらを参照
http://www.gxk.jp/elec/musen/1ama/H13/html/H1312A17_.html





(Flashで作成しているため、スマホや携帯で見れない場合があります。)

2 件のコメント:

  1. 叱られるかもしれませんがモーターとコンデンサーと2極双投のスイッチだけで車を走らせました。
    3V乾電池充電5分でしたがブットンで行きました。
    5Fのコンデンサーとモーターの相性がいいのですが他の小型モーターでも試してみます。
    充電時間を含めたレースができ子供たちが喜びそうです。MH

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    1. 平野様

      叱るなんてとんでもない!! やってみて下さってすごく嬉しいです。
      この実験で一番難しい点は、自動車を真っすぐに走らせることだと思っています。ちょっとズレると最終的には大きく曲がってしまいますよね?
      「充電カーレース」いいですね。子供さん達も大喜びしそうですね。

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